淺部頻率域電磁勘探方法綜述

湯井田， 任政勇， 周聰， 張林成， 原源， 肖曉

1 中南大學(xué)有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長沙 410083 2 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院, 長沙 410083

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淺部頻率域電磁勘探方法綜述

湯井田1,2， 任政勇1,2， 周聰1,2， 張林成1,2， 原源1,2， 肖曉1,2

1 中南大學(xué)有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長沙 410083 2 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院, 長沙 410083

適用于近地表(2000 m以內(nèi))勘探的頻率域電磁法主要有音頻大地電磁法(audio-frequency magnetotellurics, AMT), 無線電大地電磁法(radio-magnetotellurics, RMT), 可控源音頻大地電磁法(controlled source audio-frequency magnetotellurics, CSAMT)，廣域電磁法(Wide Field Electromagnetic Method, WFEM).本文擬從最新的數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、正反演算法、實(shí)例等四個方面，論述適用于淺部勘探的AMT, RMT, CSAMT和WFEM方法的國內(nèi)外最新進(jìn)展，總結(jié)目前AMT, RMT, CSAMT和WFEM方法遇到的困難，對潛在的發(fā)展方向提出建議.綜述表明: (1) 張量測量、多站陣列、多站疊加可提高AMT、RMT和 CSAMT數(shù)據(jù)的質(zhì)量.利用近區(qū)數(shù)據(jù)WFEM法可獲得良好的效果.國產(chǎn)與國外儀器在質(zhì)量方面的差距正在逐步縮小.(2)數(shù)學(xué)形態(tài)濾波技術(shù)、Hilbert-Huang變換等可有效分離出有用的數(shù)據(jù)，局部畸變?nèi)匀皇秦酱鉀Q的難題，需要更為深入的研究.(3)矢量有限元與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的出現(xiàn)大幅度提高了有限元處理復(fù)雜電磁問題模擬的精度與應(yīng)用范圍，成為目前電磁正演的首選工具.完全非線性反演算法仍然局限于1D、2D問題，共軛梯度法和高斯牛頓算法等為解決3D問題的發(fā)展趨勢.地質(zhì)約束的引入和多數(shù)據(jù)聯(lián)合反演可以減小反演的非唯一性.各向異性的反演為目前反演研究的熱點(diǎn)之一.(4)野外數(shù)據(jù)解釋的正確性嚴(yán)重依賴于對地下結(jié)構(gòu)先期的維性判別，在2D特性不明顯、3D特性明顯時，需要采用3D進(jìn)行反演解釋.

近地表勘探； 頻率域電磁法； AMT； RMT； CSAMT； WFEM

1 引言

隨著人們對周圍生活環(huán)境認(rèn)識的進(jìn)一步加強(qiáng)，以及對礦產(chǎn)資源需求的進(jìn)一步提高，要求更為可靠的探索地下淺部結(jié)構(gòu)的地球物理勘探方法.適用于淺部勘探的電磁勘探方法主要有音頻大地電磁法(AMT)，射線大地電磁法(RMT)，可控源音頻大地電磁法(CSAMT)，廣域電磁法(WFEM).AMT和RMT的場源分別對應(yīng)于磁暴和雷電現(xiàn)象、潛艇信號.由于距離足夠遠(yuǎn)，磁暴、雷電和潛艇天線產(chǎn)生的電磁波可近似為平面波.CSAMT的場源為人工電偶極子或者磁偶極子，數(shù)據(jù)采集一般在遠(yuǎn)區(qū)，場源可近似為平面波.因此，AMT, RMT和CSAMT 可歸納為基于平面波場源的電磁勘探方法.WFEM的場源與CSAMT類似，但測量不局限于遠(yuǎn)區(qū).

AMT, RMT，CSAMT和WFEM數(shù)據(jù)采集的頻率范圍略有不同.AMT的工作頻率一般為0.1 Hz～100 kHz; RMT的工作頻率一般為10 kHz～250 kHz; CSAMT和WFEM的工作頻率一般為0.1 Hz～10 kHz.在地表，我們一般采集隨時間變化的電磁場信號E(t)和H(t)(t為時間變量)，通過信號處理獲得頻率域電磁場E(ω)和H(ω)(ω為頻率變量).電磁場信號一般為地下電導(dǎo)率(σ)的函數(shù)，電場與磁場的比值Z(ω,σ)=E(ω)/H(ω)(通常稱Z為阻抗)建立了頻率與地下電性結(jié)構(gòu)的關(guān)系.利用地表采集的阻抗Z，反演可獲得地下電導(dǎo)率分布.基于廣域電阻率概念的廣域電磁法在地質(zhì)勘探中獲得了越來越多的成功應(yīng)用.

本文擬從數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)、反演算法和實(shí)例等四個方面來論述淺部勘探AMT，RMT, CSAMT和WFEM方法的國內(nèi)外最新進(jìn)展，給出AMT，RMT, CSAMT和WFEM勘探方法目前遇到的困難，并指明潛在的發(fā)展方向.

2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集方案和硬件設(shè)備兩方面.

2.1 采集方案

AMT, RMT和CSAMT的一個共同點(diǎn)為在源的遠(yuǎn)區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.在遠(yuǎn)區(qū)，入射源場可以近似為平面波.遠(yuǎn)區(qū)可采集的數(shù)據(jù)為水平電場、水平磁場和垂直磁場.由于空氣的電導(dǎo)率一般為0，地表的垂直電場分量為0，因此在頻率域電磁法一般不采集地表下的垂直電場.如果測站分布設(shè)計(jì)相對較密，測點(diǎn)距較小，高密度的數(shù)據(jù)足以保證較高分辨率模型的獲取，用于標(biāo)識地下橫向電性變化的垂直磁場的測量也可省略.

由于天然場源信號弱，極化方向隨機(jī)，極易受各類噪聲干擾，這些特征使得高質(zhì)量AMT數(shù)據(jù)的獲取極為困難.為提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，合理的設(shè)計(jì)采集方案是首要任務(wù).在天然源電磁法觀測方案的發(fā)展歷程中，有三個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)值得注意.一是張量觀測方案的提出(Sims et al., 1971)，通過定義水平電場與磁場分量的二階阻抗張量來估計(jì)地下電性分布.該方案使得天然場的觀測真正走向?qū)嵱?，其典型的采集裝置如圖1所示.二是遠(yuǎn)參考法(Gamble et al., 1979)的提出，通過在噪聲較低的區(qū)域布置參考測站，有效壓制了測區(qū)的噪聲干擾，改善了數(shù)據(jù)質(zhì)量.該方案自提出后即成為天然場源特別是低頻信號觀測的標(biāo)準(zhǔn)程序.三是電磁陣列剖面(Electromagnetic Array Profiling，EMAP)(Torres-Verdín and Bostick, 1992)觀測的提出，為壓制局部異常體對觀測數(shù)據(jù)的畸變影響提供了解決思路.該方案及其處理程序也成為2D電磁剖面處理中重要的步驟.學(xué)者們現(xiàn)已將其擴(kuò)展至三維空間觀測層面，如小面元(何繼善等, 2010c)、多站疊加(Jiang and Xu, 2013)等觀測方式.

人工源電磁法(CSAMT/RMT)由于源的引入提高了數(shù)據(jù)信噪比，且由于場源極化方向固定，使得矢量和標(biāo)量觀測兩種方案均可使用.實(shí)際施工中，為提高生產(chǎn)效率，CSAET成為一種常用的觀測方案(用一個場源在一個方向上只做電場觀測的標(biāo)量方案).幾種典型的觀測方案如圖2所示.

然而，CSAET等觀測方案顯然并不適用于地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū).針對此，學(xué)者們提出了許多改進(jìn)方案，這些改進(jìn)主要體現(xiàn)在發(fā)送端.綜合來看，可分為以下幾個方面.一是改進(jìn)信號源的發(fā)送形式，如人工源極低頻電磁波技術(shù)(趙國澤等，2010; 卓賢軍等，2011; 卓賢軍和陸建勛，2010)，在高電阻率地區(qū)建立一個固定的大功率發(fā)射臺，用人工方法發(fā)射0.1～300 Hz超低/極低頻電磁信號.一些學(xué)者討論了考慮電離層的影響時該方法的響應(yīng)(底青云等,2008; 付長民等,2012; 陳小斌和趙國澤,2009; 李帝銓等,2011; 徐志鋒和吳小平,2010).二是改進(jìn)發(fā)送信號的編碼形式，主要以何繼善(2010c)提出的偽隨機(jī)信號編碼為代表，羅維斌等(2012)研究了逆重復(fù)M序列偽隨機(jī)信號編碼方式.三是改進(jìn)發(fā)送源的布設(shè)方法，如“L”型發(fā)射源(王顯祥等,2014)、十字型源(孟慶奎,2013)以及多偶極發(fā)射裝置(雷達(dá)等,2014)等.

圖1 張量觀測方案(Christopherson, 2012; Ren, 2012)Fig.1 Configuration for tensor measurements (Christopherson, 2012; Ren, 2012)

圖2 CSAMT法的張量、矢量和標(biāo)量觀測方案(湯井田和何繼善，2005)(a)(b)用兩個場源，且每個場源做5次的全張量測量； (c)每個場源觀測3個分量的部分張量測量； (d)單一場源5次觀測的矢量測量；(e)單一場源2次觀測的標(biāo)量測量；(f)用一個場源在一個方向上只做電場觀測的標(biāo)量CSAET法，在少量點(diǎn)上測磁場用以把電場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為近似的電阻率.Fig.2 The configuration of CSAMT tensor, vector and scalar measurements (Tang and He, 2005)(a) and (b) Two sources, a set of five tensor data is measured for each source. (c) A set of three tensor data is measured for each source. (d) A set of five vector data is measured for each source. (e) A set of two scalar data is measured for each source. (f) Only the electric data is measured along the profile for one source. At several measurement sites, the magnetic field is also used to transfer the measured electric field to the apparent resistivity.

值得一提的是，何繼善(2010a，2010b)提出了一種新的頻率域方法，即廣域電磁法(WFEM).廣域電磁法具有獨(dú)特的觀測方式，其僅僅測量單分量電場，避免了磁場干擾對測量數(shù)據(jù)的影響.另外，在發(fā)送端采用偽隨機(jī)信號編碼，并且可同時發(fā)送包含多頻率的信號，提高發(fā)送效率；在接收端，進(jìn)行單分量陣列觀測，同時接收多個頻率的地電響應(yīng)信號，提高精度和速度.

2.2 儀器設(shè)備

電磁場觀測設(shè)備分為發(fā)送端與接收端兩大部分，對于天然場源電磁法，發(fā)送端部分可省略.發(fā)送端主要包括發(fā)電機(jī)、逆變器及信號發(fā)送控制器等組成部分，接收端主要包括電極、磁場傳感器、GPS、電源、信號放大器及采集控制器等組成部分.隨著技術(shù)的進(jìn)步，儀器設(shè)備也在不斷更新?lián)Q代.綜合來看，未來電磁勘探的觀測技術(shù)及儀器設(shè)備的趨勢主要為以下幾個方面：

(1)采集系統(tǒng)的集成化，實(shí)現(xiàn)一套系統(tǒng)的多種電磁數(shù)據(jù)采集.如加拿大鳳凰公司推出的V-8系統(tǒng)，可以進(jìn)行AMT/CSAMT方法觀測；美國Zonge公司的GDP-32II系統(tǒng)，可以進(jìn)行AMT/CSAMT/觀測；德國Metronix公司的GMS-07e系統(tǒng)，可以進(jìn)行AMT/CSAMT/RMT觀測等.

(2)全三維采集，數(shù)據(jù)記錄由單測線的剖面測量逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槿臻g陣列三維采集；如Geometrics 公司的Geode EM 3D系統(tǒng)支持3D網(wǎng)絡(luò)式布設(shè)，最多可測量240道數(shù)據(jù)；Quantec Geoscience公司的Orion 3D系統(tǒng)支持開展全3D勘探等.

(3)頻率范圍的拓展，更高精度的傳感器使得采集頻率得以向更低和更高的范圍拓展.德國Metronix公司的GMS-07e系統(tǒng)測量頻帶可達(dá)0.00001 Hz～250 kHz；美國Zonge公司的GDP-32II系統(tǒng)測量頻帶范圍可達(dá)0.000121 Hz～8 kHz.此外，更大的發(fā)送電流、更加輕便的裝備、更加持久的續(xù)航能力以及更加快捷的實(shí)時處理能力也是儀器發(fā)展一直努力的目標(biāo).

與國外相對成熟的商業(yè)儀器相比，國內(nèi)電磁法儀器的發(fā)展相對滯后，主要停留在試驗(yàn)階段.我國多個科研單位和高校進(jìn)行了頻率域電磁法儀器的研制，如吉林大學(xué)(程德福等，2004)、中國地質(zhì)科學(xué)院物化探研究所(林品榮等，2007，2010)、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所(底青云等，2013; 真齊輝等，2013).

基于全區(qū)視電阻率概念(湯井田和何繼善, 1994a)， 中南大學(xué)成功研制出了JSGY-2廣域電磁儀(何繼善, 2010c)，其工作頻率范圍為3/256 Hz～8192 Hz.該儀器可在遠(yuǎn)區(qū)至近區(qū)的廣大區(qū)域進(jìn)行觀測，拓展了觀測范圍.JSGY-2廣域電磁儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于油氣藏、頁巖氣、地?zé)?、煤田采空區(qū)、金屬礦、水資源等探測領(lǐng)域.因此，國產(chǎn)與國外儀器在質(zhì)量方面的差距正在逐步縮小，差距主要體現(xiàn)在制造標(biāo)準(zhǔn)、工藝水平和商業(yè)化水平等方面.

3 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

3.1 天然場源AMT方法

AMT方法的場源為天然雷電，記錄的數(shù)據(jù)為不同采樣率的時間域信號.為獲得可解釋的阻抗視電阻率及相位，需要進(jìn)行時間域數(shù)據(jù)處理、時頻轉(zhuǎn)換、阻抗估計(jì)及局部畸變校正等幾個步驟.提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的努力也主要從這四個方面展開.

3.1.1 時間域數(shù)據(jù)處理

對于時間域數(shù)據(jù)處理，無論是數(shù)據(jù)刪選還是信噪分離，信噪識別是成敗關(guān)鍵.Weckmann 等(2005)提出可利用能量、阻抗在復(fù)平面上的分布、阻抗估計(jì)誤差、相干度和極化方向等多種參數(shù)進(jìn)行綜合判斷.湯井田等(2012b)指出，強(qiáng)干擾數(shù)據(jù)的時間域特征為幅值大，形態(tài)規(guī)則.Escalas等(2013)使用小波分析了天然場源和人工源不同的時頻域極化特征，并利用其差異進(jìn)行信噪識別.

3.1.2 時頻轉(zhuǎn)換

時頻轉(zhuǎn)換是將時間域信號轉(zhuǎn)換到頻率域的過程.快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)(Cooley and Tukey,1965; Cooley et al.,1969)是最為常用的方法，其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)，因此已成為天然場源電磁法數(shù)據(jù)處理的經(jīng)典程序之一.但它也存在明顯的不足，如時窗函數(shù)固定、對信號時間定位能力差、頻率混淆效應(yīng)與泄露效應(yīng)無法根除等，因此，一些不同的譜估計(jì)方法相繼被引入電磁數(shù)據(jù)的處理中，如高階統(tǒng)計(jì)(王書明和王家映,2004)、最大熵譜分析法(Tzanis and Beamish,1989)、S變換(陳海燕等,2012;景建恩等,2012)等.這些方法對于特定問題表現(xiàn)出了優(yōu)于FFT的性能，但尚未成為標(biāo)準(zhǔn)處理程序.小波變換是一種具有多分辨率、多尺度的數(shù)學(xué)方法，具有良好的時頻局域性和自適應(yīng)性，可對信號的不同頻率成分進(jìn)行分析，在信號處理領(lǐng)域已多有應(yīng)用，眾多學(xué)者研究了其對電磁數(shù)據(jù)的處理效果(Zhang and Paulson,1997; 何蘭芳等,1999; 徐義賢和王家映,2000;Trad and Travassos,2000; 劉宏等,2004;嚴(yán)家斌和劉貴忠,2007)，證明了其有效性，但該方法依賴于小波基函數(shù)的選取，這也成為其難點(diǎn).天然電磁場信號是非線性、非平穩(wěn)信號(Chant and Hastie,1992)，噪聲同樣常具非平穩(wěn)性(Banks,1998)，因此，非線性、非平穩(wěn)信號分析工具是最佳選擇.湯井田等(2008)將Hilbert-Huang變換引入電磁數(shù)據(jù)處理中，基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition, EMD)與希爾伯特譜分析，對大地電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，證明了該方法的有效性，其后該方法被進(jìn)一步完善和推廣(Cai et al.,2009; Chen et al.,2010; Cai,2013，2014; Neukirch and Garcia,2014)，顯示出良好的應(yīng)用前景(見圖3).

3.1.3 阻抗估計(jì)

張量阻抗估計(jì)是獲取高質(zhì)量轉(zhuǎn)換函數(shù)、阻抗視電阻率及相位等解釋參數(shù)的重要步驟.針對不同的噪聲類型、含噪程度，主要的張量阻抗估計(jì)方法經(jīng)歷了從最小二乘估計(jì)到穩(wěn)健阻抗估計(jì)，從引入單參考道到多道數(shù)據(jù)的利用等階段.

最小二乘(Sims et al.,1971)是估計(jì)阻抗張量的經(jīng)典方法.在噪聲環(huán)境相對平靜或以隨機(jī)噪聲為主的地區(qū)，該方法是有效的，但是當(dāng)存在有色噪聲或相關(guān)噪聲時，最小二乘估計(jì)結(jié)果往往會出現(xiàn)嚴(yán)重偏離.如何在含噪情況下獲取高質(zhì)量的頻域阻抗參數(shù)成為電磁研究者們關(guān)心的問題.

穩(wěn)健阻抗估計(jì)是一種主流的提高阻抗估計(jì)質(zhì)量的方法. 各種穩(wěn)健阻抗估計(jì)都是通過自適應(yīng)地賦權(quán)來降低奇異值在阻抗估計(jì)中的地位.一般來說，穩(wěn)健估計(jì)的成功依賴于整個數(shù)據(jù)段中性態(tài)良好的數(shù)據(jù)占主要地位，當(dāng)噪聲貫穿大部分甚至整個觀測時段時，穩(wěn)健估計(jì)方法就失效了(Egbert and Booker,1986; Chave et al. ,1987; Chave and Thomson,1989; Egbert and Livelybrooks,1996; Chave and Thomson,2003; Smirnov,2003).Jones等(1989)、Sutarno(2008)及湯井田等(2013a)分別對穩(wěn)健阻抗估計(jì)方法進(jìn)行了綜述和對比.

圖3 HHT矯正振動干擾的實(shí)例(湯井田等，2008)(a) Hx的EMD 分解殘差; (b) Hx原始信號; (c) 振動干擾矯正后的Hx信號. Fig.3 A field example of the vibration interference which is corrected by the HHT method (Tang et al., 2008)(a) EMD decomposition of the Hx component; (b) The original Hx signal; (c) The corrected Hx signal.

遠(yuǎn)參考道估計(jì)是提高阻抗估計(jì)質(zhì)量的另一種可靠方法.自Gamble 等(1979)首次提出遠(yuǎn)參考方法以來，該方法已成為天然場源電磁法的標(biāo)準(zhǔn)程序，并取得了長足的發(fā)展.利用測點(diǎn)磁場與參考點(diǎn)磁場之間的相關(guān)性，可以實(shí)現(xiàn)含噪數(shù)據(jù)的剔選(Ritter et al.,1998; Varentsov,2006; Sokolova et al.,2005).Larsen等(1996)提出了利用參考道實(shí)現(xiàn)信噪分離的思路，當(dāng)遠(yuǎn)參道中不含噪聲時，可以估計(jì)出測站磁場中的天然場信號項(xiàng)，進(jìn)而獲得平面波阻抗的估計(jì).Oettinger 等 (2001)進(jìn)一步證明，當(dāng)參考道中含噪時，引入第二個遠(yuǎn)參考道可以得到無偏的平面波阻抗估計(jì).

多道數(shù)據(jù)的利用是學(xué)者們努力的方向之一. 利用測站間電磁場分量的相互關(guān)系對含噪時段數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測是一種常見的思路，如大地電流-大地電磁(Telluric-Magnetotelluric，T-MT)方案(García and Jones, 2005)， “偽遠(yuǎn)參考”(Muoz and Ritter,2013)及組合站間轉(zhuǎn)換函數(shù)(Estimation of Local transfer-functions by Combining Interstation Transfer-functions，ELICIT)(Campanyà et al., 2014)等一批基于測站間“轉(zhuǎn)換函數(shù)”的采集處理方案.這些方案不僅改善了MT的數(shù)據(jù)質(zhì)量，而且拓展了數(shù)據(jù)采集的思路.然而，參考道的數(shù)據(jù)質(zhì)量決定了此類方法的適用范圍，另一些學(xué)者提出了算法方面的改進(jìn)，如Kappler (2012)提出了IARWR(Intersite Activity Ratio Wiener-filter Replacement)時間域去噪方法.王輝等(2014) 提出利用多道同步依賴關(guān)系進(jìn)行阻抗估計(jì)的方法，Cui 等(2013)引入獨(dú)立分量分析(Independent Component Analysis，ICA)的方法，Varentsov 等(2003)提出利用多道遠(yuǎn)參考聯(lián)合使用的方法，另外，Egbert和Booker(1989)、Egbert(1997，2002)系統(tǒng)闡述了利用陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行信噪分離的阻抗估計(jì)方法，在其基礎(chǔ)上，Smirnov 和Egbert (2012)發(fā)展了陣列數(shù)據(jù)的主成分分析穩(wěn)健估計(jì)方法(Principal Component Analysis，PCA).

此外，利用多頻點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行光滑處理也是提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的有效手段之一.如利用視電阻率、相位數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系(Weidelt,1972)，可以實(shí)現(xiàn)阻抗相位參數(shù)對畸變視電阻率曲線的校正(楊生等,2001).Parker提出的Dplus及Rhoplus反演方法(Parker,1980; Parker et al.,1981; Parker et al.,1996)是這類處理的優(yōu)秀代表.該方法考慮了阻抗視電阻率、相位數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性以及數(shù)據(jù)在頻率域的連續(xù)性，其擬合數(shù)據(jù)來自于所謂D+或R+模型的響應(yīng)，具有明確的物理意義，在頻域數(shù)據(jù)的一維分析與擬合中應(yīng)用廣泛(Beamish and Travassos,1992; Fischer and Weibel,1991; Spratt et al.,2005).

3.1.4 局部畸變校正

當(dāng)?shù)乇泶嬖谌S局部電性不均勻體時，會因積累電荷而使測量電場產(chǎn)生局部畸變，進(jìn)而影響計(jì)算所得的阻抗數(shù)據(jù).這種局部畸變的影響表現(xiàn)在兩個方面(Bahr,1988,1991; Berdichevsky and Dimitriev,1976)：一是電流型畸變(galvanic distortion)，以準(zhǔn)靜態(tài)形式影響觀測的電場，使阻抗視電阻率數(shù)據(jù)在所有頻點(diǎn)上產(chǎn)生所謂“靜態(tài)位移”，或稱為“靜態(tài)效應(yīng)”；二是感應(yīng)型畸變(inductive distortion)，會同時影響阻抗視電阻率、相位數(shù)據(jù).對于實(shí)測數(shù)據(jù)而言，局部畸變往往是不可避免的，即使是信噪比很高的人工源電磁法數(shù)據(jù)，因此，對于局部畸變的校正研究引起了學(xué)者們的極大興趣. 阻抗張量分解技術(shù)將觀測值視為區(qū)域阻抗與局部畸變兩部分，具有較為清晰的理論基礎(chǔ)，主要的分解算法有Swift 方法(Swift,1967)、Bahr分解( Bahr,1988; Bahr,1991; Prácser and Szarka,1999)、GB 分解(Groom and Bailey,1989,1991; Jones and Groom,1993)、Chave-Smith電磁場全畸變分解法(Chave and Smith, 1994; Chave et al., 2004)、多測點(diǎn)-多頻點(diǎn)分解方法(陳小斌等,2014; McNeice and Jones,2001)以及相位張量分解(Caldwell et al.,2004; Weaver et al.,2006; Booker,2014)等. 針對靜態(tài)效應(yīng)問題，除了上述阻抗張量分解方法外，還發(fā)展了一系列校正方法， 這些方法可歸為三大類，即利用相位或磁場分量測量結(jié)果(閻述和陳明生,1996)、利用空間域(Torres-Verdín and Bostick,1992)或波數(shù)域(宋守根等,1995)數(shù)字濾波方法和聯(lián)合反演方法(Sternberg et al.,1988)等.

值得指出，目前實(shí)際應(yīng)用較多的局部畸變校正方法主要為阻抗張量分解與空間濾波算法.

3.2 人工源電磁法

CSAMT、WFEM和RMT為人工源電磁法，其處理方式與AMT法有許多相似之處，但也存在明顯的差異，如發(fā)射信號可以固定在特定的頻率或組合頻率，提高該頻率的信號能量，在接收端可以獲得很高的信噪比，進(jìn)而得到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，同時因場源極化方向固定，在不同的空間位置不同方向上的信號能量差異巨大，當(dāng)采集區(qū)域限制在特定范圍內(nèi)時，可以簡化觀測方案及波阻抗的計(jì)算方法.與天然場源方法相比較，人工源電磁法的數(shù)據(jù)處理較為簡單，但因?yàn)樵吹囊?，也產(chǎn)生了一系列與源有關(guān)的問題(何繼善，1991; 湯井田和何繼善，2005; 高文，1991).

非平面波效應(yīng)是人工場源效應(yīng)之一，其主要特征是會造成所謂“過渡區(qū)”和“近區(qū)”卡尼亞視電阻率、相位數(shù)據(jù)畸變.對此，首先需要討論人工源條件下，觀測場區(qū)的劃分問題.何繼善(1991)、湯井田和何繼善(2005)對這一問題進(jìn)行了詳細(xì)的論述，指出場區(qū)的劃分與地下電阻率、觀測頻率以及發(fā)收距等相關(guān)，可用綜合參數(shù)“電距離”來進(jìn)行衡量.岳瑞永和徐義賢(2004)、陳明生和閆述(2005)、林威(2009)、程輝和李帝銓(2014)分別給出了不同的定量場區(qū)劃分方法，為畸變數(shù)據(jù)的識別提供了依據(jù).

在過渡區(qū)及近區(qū)，卡尼亞視電阻率及相位的畸變常常會帶來錯誤的認(rèn)識，通過定義適當(dāng)?shù)碾娮杪蕝?shù)以合理利用過渡區(qū)數(shù)據(jù)是應(yīng)對措施之一，如Das(1995)、曹昌祺(1978)、黃皓平和樸化榮(1992)、殷長春和樸化榮(1991)、詹少全等(2011)以及馮兵等(2013)均做過不同的嘗試.實(shí)際工作中，合理設(shè)計(jì)采集方案，盡量保證數(shù)據(jù)處于遠(yuǎn)區(qū)是避免非平面波效應(yīng)影響的最佳策略.湯井田等(2013b)、王若等(2004)討論了不同條件下適宜的觀測方案. 陳衛(wèi)營和薛國強(qiáng)(2014)則給出了適用于全場域的有效趨膚深度快速估算公式.

陰影和場源附加效應(yīng)是另一類由場源所引起的問題. 目前對該問題的研究多處于數(shù)值模擬階段(Boschetto and Hohmann,1991;閆述和陳明生,2004; 王若等,2009; 湯井田等,2012c).陳明生和閆述(2005)通過實(shí)例表明，陰影和場源附加效應(yīng)是由地層波所攜帶的源與觀測點(diǎn)之間、源下方真實(shí)地質(zhì)情況的信息決定，是可以加以利用的.有效的陰影和場源附加效應(yīng)的處理方案仍有待后續(xù)研究，是今后的一個研究方向.

湯井田和何繼善(1993，1994a，1994b)從電磁場統(tǒng)一的角度，系統(tǒng)地討論了頻率電磁測深中幾種等效全區(qū)視電阻率的原理、定義和具體算法，并提出形式更為簡潔的Ey視電阻率(湯井田等，2011).基于等效全區(qū)視電阻率概念(湯井田和何繼善, 1994a)的WFEM法，可不局限于遠(yuǎn)區(qū)，從而拓展了觀測范圍.基于單分量的測量， 廣域電磁法有效壓制電磁場干擾對測量數(shù)據(jù)的影響，從而提高抗干擾能力.

4 正反演算法發(fā)展

4.1 正演

數(shù)值模擬方法具有普遍適用性，不僅僅適用于本論文研究的 AMT，RMT, CSAMT和WFEM問題，還適用于其他問題，如MT，CSEM, 直流電法等.為了更好地為讀者敘述數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展趨勢，下面的闡述著眼于其在整個地電磁場模擬的發(fā)展.通常，數(shù)值模擬方法可分為四類：體積積分法(Raiche, 1974; Hohmann, 1975; Weidelt, 1975; Avdeev et al., 2002; Zhdanov et al., 2006)，邊界積分法(Parry and Ward, 1971; Doherty, 1988; Liu and Becker, 1992; Xu et al., 1997; Liu and Lamontagne, 1998; Ren et al., 2012)，有限差分法(Mackie et al., 1994; Aprea et al., 1997; Smith, 1996; Haber et al., 2000; Newman and Alumbaugh, 2002; Hou et al., 2006; Streich, 2009)和有限單元法(Badea et al., 2001; Mitsuhata and Uchida, 2004; Key and Weiss, 2006; Nam et al., 2007).對于有限差分、體積分方程法的優(yōu)缺點(diǎn)，請查看已有的綜述文章Avdeev (2005), B?erner (2010) 和Everett(2011).需要特別提出的，Penz等(2013)提出了利用有限差分解決復(fù)雜地電模型的新思路，擴(kuò)展了傳統(tǒng)有限差分的應(yīng)用范圍. 本節(jié)只闡述適用于任意復(fù)雜模型的有限單元法.

從Coggon(1971)首次將有限單元法應(yīng)用到電磁模擬以來，該領(lǐng)域有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步可大概歸納為微分控制方程、有限元空間、網(wǎng)格離散化技術(shù)、線性求解器等四個方面.電磁模擬可基于電場方程(Nam et al., 2007; Farquharson and Miensopust, 2011)、磁場方程(Siripunvaraporn et al., 2002;Franke et al., 2008)和不同種類的勢場方程. 對于低頻問題，由于空氣的電導(dǎo)率為0，磁場方程在空氣中未定義.因此，磁場方程一般很少用于求解低頻地球物理電磁場問題.低頻情況下，電場方程在空氣中變得非常的病態(tài)，從而導(dǎo)致高條件數(shù)的離散系統(tǒng)矩陣.高條件數(shù)一方面降低了求解的精度，另外一方面增加了迭代求解器的迭代次數(shù)，從而增加了求解時間.常用的勢場方程包含H-Ω式，A-Ω式 (Haber et al., 2000; Badea et al., 2001)和T-Ω式(Mitsuhata and Uchida, 2004).勢場方程導(dǎo)致的離散系統(tǒng)矩陣的條件數(shù)一般較低，從而降低了對求解器的要求, 在處理電導(dǎo)率不連續(xù)界面上的邊界條件時，勢場方程存在一定的復(fù)雜性.

有限元空間常常包含節(jié)點(diǎn)型基函數(shù)和向量基函數(shù)(Nédélec, 1986; Farquharson and Miensopust, 2011).節(jié)點(diǎn)型基函數(shù)構(gòu)成連續(xù)的有限元空間,要求電場或者磁場在地下為連續(xù)函數(shù).在電性不連續(xù)界面，如電導(dǎo)率跳躍界面處，電場在跳躍界面的法向分量不連續(xù).因此節(jié)點(diǎn)型基函數(shù)構(gòu)造出的電磁場有限元解，強(qiáng)加了法向連續(xù)性條件，從而使得有限元解不準(zhǔn)確，或者偏離真實(shí)解.向量基函數(shù)可解決節(jié)點(diǎn)型基函數(shù)產(chǎn)生的上述問題. 向量基函數(shù)構(gòu)造的有限元解只要求電場的切向連續(xù)性，保留電場的法向不連續(xù)性；另外一方面，能夠保證單元內(nèi)場的散度為零.因此，向量基函數(shù)構(gòu)造的有限元解不存在偽解.由于其優(yōu)越的性能，向量基函數(shù)已逐步代替節(jié)點(diǎn)型基函數(shù),成為地球物理電磁場數(shù)值模擬的標(biāo)準(zhǔn)方式.

網(wǎng)格離散化技術(shù)經(jīng)歷了從結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格到非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的過渡(Key and Weiss, 2006; Franke et al., 2008).早期的電磁場模擬一般采用簡單的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如四邊形、六面體.隨著研究的深入，人們探究復(fù)雜地電磁場模型欲望的加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的缺點(diǎn)越來越突出.結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格很難真實(shí)地模擬復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu)，如任意復(fù)雜的地形情況. 隨著計(jì)算幾何技術(shù)的突飛猛進(jìn)，產(chǎn)生了非?？焖?、可靠地用三角形和四面體來任意精確逼近復(fù)雜地電模型的技術(shù). 有限元本身對單元類型沒有要求，自然地，基于三角形與四面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格越來越多地應(yīng)用于地電磁場的有限元模擬. 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠非常容易地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的自適應(yīng)加密，因此，非結(jié)構(gòu)化有限元模擬越來越重視網(wǎng)格自適應(yīng)加密技術(shù)，生成高精度的數(shù)值結(jié)果.典型的應(yīng)用為： Key和Weiss (2006)應(yīng)用自適應(yīng)三角形網(wǎng)格研究了復(fù)雜的2D 大地電磁問題. Li和Key (2007)應(yīng)用自適應(yīng)三角形網(wǎng)格研究了復(fù)雜的2D 海洋CSEM問題(圖4). Ren 和Tang(2010)應(yīng)用自適應(yīng)四面體網(wǎng)格研究了3D DC問題. Schwarzbach等(2011)應(yīng)用自適應(yīng)四面體網(wǎng)格研究了3D CSEM問題.Ren等(2013) 應(yīng)用自適應(yīng)四面體網(wǎng)格研究了3D MT和RMT 問題(圖5).目前, 非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在有限元模擬中逐漸成為主流.

線性求解器方面也展現(xiàn)出較大的進(jìn)步. 電磁場問題經(jīng)有限元離散化后生成大規(guī)模的稀疏矩陣.由于計(jì)算機(jī)內(nèi)存的限制以及直接法的落后，早期的研究者一般采用迭代法來完成線性方程組的求解.然而，求解低頻電磁場問題時，線性方程的條件數(shù)往往較大，導(dǎo)致過多的迭代求解步驟，從而增加了計(jì)算時間.因此，如何設(shè)計(jì)低成本、高效的迭代預(yù)處理器成為了迭代法的發(fā)展方向.值得提及的是，Grayver 和Burg (2014)提出了一種基于輔助空間的高效預(yù)處理，能夠有效地減小迭代次數(shù).目前，直接求解器方面獲得了非常大的突破，產(chǎn)生了有效的直接法求解器，如基于LU矩陣分解法和OpenMP的PARDISO求解器(Schenk和G?rtner, 2004)，基于波前法和MPI的MUMPS求解器(Amestoy et al., 2002).Streich (2009)測試了MUMPS求解器的優(yōu)越性能，求解了超過百萬未知數(shù)的大型地電磁場問題.地電問題一般為多源問題，即含多個右端項(xiàng).直接法能夠快速地處理多個右端項(xiàng)問題，因此獲得了越來越多的重視，有逐步取代迭代求解器的發(fā)展趨勢.另外為了求解超大規(guī)模的問題，基于MPI并行的求解技術(shù)也獲得了大量的嘗試和應(yīng)用.Puzyrev 等(2013) 利用區(qū)域分解和MPI求解了大規(guī)模的CSEM 3D 問題(見圖6)；Ren等(2014)成功應(yīng)用了一種新的FEDI-DP區(qū)域分解技術(shù)計(jì)算了大規(guī)模MT問題.

4.2 反演

反演算法是一個優(yōu)化過程，目前常用的反演算法可歸納為兩類：非線性反演算法和線性迭代算法.

非線性反演算法包括人工神經(jīng)網(wǎng)格法、模擬退火法、蒙特卡羅法等.非線性反演算法最大的優(yōu)點(diǎn)是可避開局部極大、極小值，搜索出全局最優(yōu)模型.然而，非線性反演算法需要大量的樣本，根據(jù)每個樣本的測試結(jié)果，進(jìn)行有方向性的樣本篩選或樣本升級，搜索出符合野外實(shí)測數(shù)據(jù)的樣本. 在模型搜索過程中，需要大量的正演計(jì)算，由于每一次正演需要消耗大量的計(jì)算時間，非線性反演算法目前僅僅適合1D或者小規(guī)模2D反演問題.

線性迭代算法主要包括高斯-牛頓算法及其變種、共軛梯度算法及其變種.高斯-牛頓算法及其變種是目前流行的反演方法，廣泛應(yīng)用于MT反演、CSEM反演、DC反演等.靈敏度矩陣是制約反演速度的關(guān)鍵因素，由于靈敏度矩陣是密實(shí)矩陣，對于3D大規(guī)模問題，計(jì)算和存儲靈敏度矩陣是困難的.共軛梯度算法及其變種通過減小目標(biāo)函數(shù)梯度來達(dá)到反演收斂的目的，由于不需要引入靈敏度矩陣，共軛梯度算法及其變種的計(jì)算消耗相對小.關(guān)于反演算法在地球物理電磁法的應(yīng)用，請查看已有的綜述文章Avdeev (2005), B?erner (2010) 和Everett(2011).

總體來說，對于2D和3D問題，可行的反演算法為線性迭代算法.由于上述最優(yōu)化問題求解技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，地球物理學(xué)者往往關(guān)注如何提高迭代中的正演計(jì)算效率，因此4.1節(jié)闡述的正演算法的發(fā)展，直接促進(jìn)了反演計(jì)算的效率和發(fā)展.

圖4 2D 海洋 CSEM問題的非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格的自適應(yīng)加密 (Li and Key, 2007)Fig.4 Adaptive refinements for 2D marine CSEM problems with triangles (Li and Key, 2007)

圖5 RMT問題中三維梯形模型的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格的自適應(yīng)加密，為單元誤差(Ren et al., 2013)Fig.5 Adaptive refinements for 3D RMT problems with tetrahedral elements (Ren et al., 2013)

圖6 基于區(qū)域分解的大型CSEM 3D 問題的MPI計(jì)算， 不同顏色代表不同的子區(qū)域，最上藍(lán)色為空氣區(qū)域，網(wǎng)格包含2.8 百萬個四面體，16CPU上計(jì)算時間為1.5 min (Puzyrev et al., 2013)Fig.6 Large-scale parallel computation with MPI. The grid contains 2.8 millions elements, with a run-time of 1.5 minutes using 16 CPUs (Puzyrev et al., 2013)

圖7 CSEM各向異性3-D反演結(jié)果圖(Newman et al., 2010)Fig.7 Inversion results for CSEM anisotropic problems (Newman et al., 2010)

圖8 2D RMT反演結(jié)果，頂圖忽略位移電流造成了錯誤的高阻區(qū)域.底圖未忽略位移電流，結(jié)果與測井結(jié)果吻合 (Kalscheuer et al., 2008)Fig.8 2D RMT inversion results. The top figure shows the case of ignoring the displacements which leads to an incorrect highly resistive area. The bottom figure shows that when considering the displacement currents, the inverted result agrees well with logging results (Kalscheuer et al., 2008)

圖9 巴西米納斯吉拉斯州xxx測線二維反演結(jié)果圖(Terra and Menezes, 2012)Fig.9 2D inversion results from an AMT profile in the Minas Gerais State of Brazil (Terra and Menezes, 2012)

反演多解性促進(jìn)了聯(lián)合反演的發(fā)展，因?yàn)槁?lián)合反演可減低結(jié)果的多解性，提高結(jié)果的精度和可靠性. Hu等(2009)發(fā)表了2.5D頻率域電磁反演和2D地震聯(lián)合反演；Candansayar 和Tezkan(2008)采用最小二乘法進(jìn)行了RMT和DC的2D聯(lián)合反演；Bala和Pieta(2010)采用蒙特卡羅法進(jìn)行了相似的1D DC/AMT聯(lián)合反演.另外，隨著計(jì)算資源的大幅度提高，各向異性的反演越來越成為一種研究熱點(diǎn)，例如Newman等(2010)進(jìn)行了CSEM數(shù)據(jù)各向異性3D反演(見圖7).

位移電流在RMT反演過程中的應(yīng)用越來越得到重視.在高阻環(huán)境和高頻率情況下，位移電流并不遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳導(dǎo)電流.對于淺地表問題，特別是在地形起伏嚴(yán)重的區(qū)域，位移電流應(yīng)該考慮在反演過程中，忽略位移電流會造成反演結(jié)果錯誤.比如，Kalscheuer等(2008)詳細(xì)地分析了位移電流在RMT反演中的重要性，給出了忽略位移電流會造成反演結(jié)果的不合理性(見圖8).

另外，超級計(jì)算機(jī)促使了反演的工業(yè)化實(shí)現(xiàn).高性能計(jì)算平臺的發(fā)展經(jīng)歷了單核到多核，再到近年來的GPU.Alumbaugh等(1996)、Alumbaugh和Newman(1997), Newman和Alumbaugh (1997, 1999)首先將高性能計(jì)算平臺應(yīng)用在大規(guī)模電磁計(jì)算中，完成了真實(shí)的3D地質(zhì)模型的電磁模擬.Commer和Newman(2008)、Newman等(2010)采用了32768個CPU進(jìn)行了3D CSEM數(shù)據(jù)成像的大規(guī)模并行計(jì)算，計(jì)算時間為幾天，奠定了大規(guī)模的3D電磁問題成像計(jì)算在工業(yè)中應(yīng)用的基礎(chǔ).Weiss和Schultz (2011)提供了使用單一GPU進(jìn)行大規(guī)模電磁數(shù)據(jù)模擬的可行性研究.

5 實(shí)例應(yīng)用

隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)、信號處理技術(shù)、正反演算法的快速發(fā)展，頻率域電磁法得到了人們越來越多的關(guān)注，其應(yīng)用范圍越來越寬廣.由于其信號頻率范圍的特性，上述三類頻率域電磁法主要應(yīng)用于礦產(chǎn)資源勘探、地?zé)豳Y源或地下水勘探、環(huán)境與工程地球物理等淺部地球物理問題.

5.1 礦產(chǎn)資源

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種礦產(chǎn)資源的需求量越來越大．近年來，面對礦產(chǎn)資源的日益枯竭，開展中深部(大于500 m)找礦迫在眉睫(夏時斌等，2012).最新的成礦理論研究和深部定位預(yù)測驗(yàn)證結(jié)果均表明，地下500～1500 m深度見礦范例眾多，表明大陸深部蘊(yùn)藏著潛力巨大的礦產(chǎn)資源(葉益信等，2011)，因此如何準(zhǔn)確、有效地開展中深部和各類隱伏區(qū)的探礦找礦，已成為現(xiàn)階段及未來的重大研究任務(wù).

音頻大地電磁法和可控源音頻大地電磁法已逐步應(yīng)用在隱伏礦及深部礦的勘察中，并取得了不錯的效果(Sheard et al., 2005；Zhdanov, 2010；Vallée et al., 2011；Smith, 2014).在AMT和CSAMT兩種方法中，AMT為天然場源，抗干擾能力差，但其裝備簡便，易于操作，適合在地形復(fù)雜，干擾相對較小的地區(qū)開展勘察；而CSAMT采用人工源，信號強(qiáng)，抗干擾能力大，但源的布設(shè)及采集較為復(fù)雜，適用于地形簡單但干擾相對較大的地區(qū).

AMT和CSAMT受高阻屏蔽作用小，對低阻體反映靈敏.圖9給出了一個典型的AMT勘探低阻角礫云母橄欖巖的實(shí)例(La Terra and Menezes, 2012)，角礫云母橄欖巖是原生金剛石的成礦標(biāo)志，而其電性特征表現(xiàn)為低阻.針對AMT死頻帶問題，La Terra等人采用發(fā)射天線，在距測點(diǎn)四倍趨膚深度外發(fā)射人工信號，以此提高頻帶信噪比及數(shù)據(jù)質(zhì)量.對AMT數(shù)據(jù)進(jìn)行了可靠的數(shù)據(jù)處理，并獲得了各個測線的二維反演結(jié)果.為進(jìn)一步驗(yàn)證二維反演結(jié)果的可靠性，利用WSINV3DMT程序(Siripunvaraporn and Sarakorn 2011)，作者以二維反演結(jié)果為初始模型，進(jìn)行了3D反演(圖9b).三維反演結(jié)果與二維反演結(jié)果的一致性驗(yàn)證了反演結(jié)果的可靠.

近年來，廣域電磁法以其探測深度大，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)、儀器輕便、觀測速度快，勘探范圍大等特點(diǎn)，在深部資源勘探中發(fā)揮著越來越重要的作用. 胡艷芳和何繼善(2015)在安徽銅陵地區(qū)開展了強(qiáng)干擾礦區(qū)廣域電磁法的有效性試驗(yàn)，為保證數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，進(jìn)行了強(qiáng)干擾區(qū)最佳發(fā)射電流的試驗(yàn)研究(電流從100～10 A),結(jié)果表明當(dāng)發(fā)射電流大于20 A時，數(shù)據(jù)信噪比才能得以保證. 圖10為銅陵強(qiáng)干擾礦區(qū)某測線2D反演結(jié)果，可以看出礦區(qū)地層的似層狀體現(xiàn)非常明顯，礦體橫向和深度范圍內(nèi)出現(xiàn)了低阻異常，并識別出了兩條斷層，與已知鉆孔信息一致.經(jīng)地質(zhì)、物探等綜合信息，推斷2號異常區(qū)還存在成礦的空間，該處低阻異常為礦體或礦化引起.

5.2 地?zé)豳Y源或地下水勘探

地?zé)豳Y源是集“熱、礦、水”三位一體的清潔可再生能源，目前已被廣泛應(yīng)用于取暖空調(diào)、生活熱水、醫(yī)療等許多領(lǐng)域，具有巨大的開發(fā)前景(周厚芳等，2004；黃力軍等，2004；廖忠禮等，2006).

地?zé)豳Y源一般位于充滿流體的斷層或裂縫中，這些流體富含鹽分，具有良好的導(dǎo)電性，相對圍巖表現(xiàn)為低阻特性，這些特征使得電法及電磁法在地?zé)豳Y源的勘探中應(yīng)用效果顯著.一般地?zé)豳Y源主要分為巖漿型與斷陷盆地型兩種類型，巖漿型地?zé)豳Y源分布范圍小，溫度高，但是埋深淺，可采用常規(guī)直流電阻率法進(jìn)行勘探. 斷陷盆地型地?zé)豳Y源是目前利用最廣的地?zé)豳Y源，具有分布廣、中低溫、埋深大等特點(diǎn)，可利用勘探深度較大的AMT和CSAMT以及MT進(jìn)行勘探. 對于中淺部地?zé)豳Y源，常選用AMT或CSAMT.

Barcelona等(2013)給出了一個AMT勘探地?zé)豳Y源的實(shí)例，為了確定阿根廷西北部地區(qū)地下電阻率的分布，圈定出與溫泉相關(guān)的區(qū)域，綜合考慮測區(qū)的地形、水文、地質(zhì)及構(gòu)造等信息，選用AMT法成功進(jìn)行了地?zé)豳Y源的前期勘探.在該實(shí)例中，由于測區(qū)位于山區(qū)，地形起伏大，區(qū)域維性相對比較復(fù)雜，所以根據(jù)區(qū)域與局部的地質(zhì)特征先確定出可能的地電響應(yīng)，然后對AMT數(shù)據(jù)進(jìn)行了維性分析，分別做了一維和二維反演，綜合實(shí)際水文、地質(zhì)等先驗(yàn)信息，二維反演解釋結(jié)果更為合理可靠，成功獲得了地下一定深度內(nèi)的電阻率分布圖.

Fu等(2012)給出了一個CSAMT勘探地下水資源的實(shí)例，在北京郊區(qū)強(qiáng)干擾條件下成功進(jìn)行了地下水的勘探工作.在該實(shí)例中，為保證強(qiáng)干擾條件下的數(shù)據(jù)質(zhì)量，通過加大發(fā)射功率、延長偶極子長度、增加測站采集時間等措施來提高數(shù)據(jù)信噪比；在數(shù)據(jù)處理時，利用HHT(湯井田等, 2009，蔡劍華等, 2011)進(jìn)行了信噪分離.圖11 給出了1D反演結(jié)果及地質(zhì)解釋示意圖，通過與已知的實(shí)際鉆孔資料對比，清晰地查明了高阻石灰石巖層的埋藏深度，并根據(jù)含水帶低阻特性，成功圈出了地下400～800 m處的含水破碎帶.

總的來說，在地?zé)峄虻叵滤Y源的勘探中，一般常根據(jù)測區(qū)地形、干擾情況以及地?zé)崧癫厣疃鹊葘?shí)際因素選取合適的電磁方法，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)處理，獲得有用的信號.然后，針對測區(qū)的地形，進(jìn)行地形校正，分析采集數(shù)據(jù)的維性，確定地下水資源的流動方向(走向)，在二維假設(shè)成立的情況下，才能夠運(yùn)用二維反演算法.對于二維假設(shè)不滿足的情況(地下水流動一般呈不規(guī)則狀態(tài))，三維反演是必要的.

5.3 環(huán)境與工程地球物理

環(huán)境與工程地球物理，其任務(wù)是通過各種高精度的地球物理探測，了解近地表地下空間內(nèi)的物質(zhì)分布、運(yùn)動規(guī)律等，從而為各類工程和中淺層資源的設(shè)計(jì)、施工、檢修、維護(hù)、開發(fā)提供依據(jù).

圖10 安徽銅陵強(qiáng)干擾礦區(qū)某線廣域電磁法二維反演結(jié)果P2d，二疊系上統(tǒng)大隆組；T，三疊系；C，石炭系；P2l，二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M；P1，二疊系下統(tǒng)地層.Fig.10 2D inversion result in Tongling P2d,Dalong formation of Upper Permian; T, Triassic; C, Carboniferous; P2l, Longtan formation of Upper Permian; P1, formation of Under Permian.

圖11 北京郊區(qū)某測線CSAMT反演結(jié)果及地質(zhì)解釋示意圖(Fu et al., 2013)Fig.11 The CSAMT inversion results and its geological interpretation along the profile located on the outskirts of the Beijing city (Fu et al., 2013)

RMT是近20年才逐步發(fā)展的一種淺地表地球物理勘探方法(Müller et al., 1994; Tezkan et al., 1996; Tezkan et al., 2000; Tezkan et al., 2005; Bastani, 2001; Bastani et al., 2009; Bastani et al., 2013; Kalscheuer et al., 2008; Ren et al., 2012).RMT 法測量頻段為10000 Hz～250 kHz，勘探深度為數(shù)米到數(shù)十米，目前多應(yīng)用于淺地表工程、資源勘探及環(huán)境監(jiān)測.在RMT應(yīng)用中，對于淺地表問題，特別是在起伏地形嚴(yán)重的區(qū)域，位移電流應(yīng)該考慮在反演過程中，不適當(dāng)?shù)睾雎晕灰齐娏?，會造成反演結(jié)果錯誤(Kalscheuer et al., 2008).

近年來，隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，RMT三維反演也已經(jīng)逐漸應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，并在數(shù)據(jù)解釋方面發(fā)揮著重要作用.Newman等(2003)采用RMT法對德國一地下垃圾場是否發(fā)生滲漏污染等情況進(jìn)行了勘探，在該實(shí)例中，對RMT數(shù)據(jù)進(jìn)行了二維和三維反演結(jié)果的對比.結(jié)果表明，二維反演結(jié)果過高估計(jì)了垃圾埋藏深度及范圍,得出了錯誤結(jié)論，而三維反演結(jié)果能夠精確地圈定垃圾坑的邊界及深度，判斷垃圾坑是否發(fā)生滲漏污染(圖12).

另一方面，為了壓制反演的多解性，進(jìn)一步提高RMT反演結(jié)果的可靠性， RMT與多種方法的聯(lián)合反演得到了發(fā)展和應(yīng)用.Candansayar和Tezkan(2008)從RMT和DC聯(lián)合反演的方法原理、合成理論數(shù)據(jù)以及野外實(shí)際數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演等方面做了詳細(xì)的介紹，并成功地查明了德國凱爾彭實(shí)驗(yàn)基地?cái)鄬游恢眉s在地下16 m處.文中指出地表淺部的小尺度目標(biāo)體對RMT數(shù)據(jù)有較大的影響(易產(chǎn)生靜位移)，但單獨(dú)的RMT反演結(jié)果不能分辨出淺地表的小尺度目標(biāo)體，并增加了反演的多解性.直流電阻率法對地表淺部目標(biāo)體有很好的反映，因此將RMT聯(lián)合DC進(jìn)行反演，不僅清晰查明了地表淺部小尺度目標(biāo)體以及深部的電性特征，同時極大地減小了反演結(jié)果的非唯一性，提高了反演結(jié)果模型分辨率，在此次實(shí)際勘查中取得了良好的應(yīng)用效果.

圖12 測線反演結(jié)果對比圖(a)二維反演結(jié)果; (b)三維反演結(jié)果. 鉆孔資料顯示垃圾坑基底深度約為13 m (Newman et al., 2003)Fig.12 Comparison of the inversion results(a) 2D inversion result; (b) 3D inversion result. Landfill drilling data show the basement has a depth of 13 meters (Newman et al., 2003)

6 結(jié)論

基于目前最新的文獻(xiàn)，本文從數(shù)據(jù)采集技術(shù)、信號處理技術(shù)、反演算法和實(shí)例分析等四個方面分別論述了頻率域電磁法的發(fā)展現(xiàn)狀，主要的結(jié)論可概述為：

(1)數(shù)據(jù)采集與儀器.數(shù)據(jù)采集方案由單點(diǎn)張量采集向多點(diǎn)同步、多參考道、三維陣列的方向發(fā)展，主動源電磁法在信號發(fā)送方式、編碼方式、場源布設(shè)方法以及接收端的觀測方案等方面涌現(xiàn)出諸多新嘗試，提高了數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和效率. 隨著儀器開發(fā)技術(shù)的日趨成熟，采集系統(tǒng)已逐步實(shí)現(xiàn)多方法集成、全三維采集，元器件精度的提高也使得數(shù)據(jù)采集頻率范圍、采集精度及效率等獲得了大幅擴(kuò)展和提高.尤其可喜的是，隨著人力與資金的大幅投入，國產(chǎn)儀器與國外儀器在質(zhì)量方面的差距正在逐步縮小.

(2)數(shù)據(jù)處理技術(shù)方面.由于天然電磁場強(qiáng)度較低，AMT數(shù)據(jù)的信噪比通常不高.為了獲得或者分離出有用的信號，可采用一些新的信噪分離技術(shù)，如數(shù)學(xué)形態(tài)濾波技術(shù)、Hilbert-Huang變換等.張量阻抗估計(jì)經(jīng)歷了從最小二乘估計(jì)到穩(wěn)健阻抗估計(jì)，從引入單參考道到多道數(shù)據(jù)的利用等階段.局部畸變?nèi)匀皇秦酱鉀Q的難題，目前的主要校正方法為阻抗張量分解、空間濾波及聯(lián)合反演等.CSAMT和RMT方法由于人工源的引入，信噪比得到大幅提高，其數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展集中在非平面波效應(yīng)、陰影和場源附加效應(yīng)的識別與壓制等方面.值得提出的是，全區(qū)電阻率以及廣域電磁法的提出，有效地利用了非遠(yuǎn)區(qū)的數(shù)據(jù)，為非平面波效應(yīng)問題的解決提供了途徑.

(3)正反演算法方面.為了求解復(fù)雜AMT/RMT/CSAMT/WFEM問題，有限元法成為了不可或缺的正演計(jì)算技術(shù).為了進(jìn)一步提高有限單元法的計(jì)算精度和效率，基于邊的矢量有限元和可以離散任意復(fù)雜模型的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格越來越成為主流.另外，由于直接求解器領(lǐng)域的在求解大型線性方程組的快速發(fā)展，對于多源地球物理問題，直接法有取代傳統(tǒng)的迭代法的趨勢.相對于正演算法的快速發(fā)展，由于其非線性，地球物理領(lǐng)域的反演算法本身的發(fā)展相對滯后，基本上為對經(jīng)典的非線性最優(yōu)化算法的應(yīng)用，如共軛梯度法、高斯牛頓算法等.由于其超大的計(jì)算量，完全非線性反演算法如遺傳算法等仍然處于1D、2D問題.與此不同，基于線性化的反演算法，如共軛梯度法、高斯牛頓算法等，3D模型的反演已經(jīng)變得相對實(shí)用.另外，為了提高反演算法的精度，聯(lián)合反演，如與地震數(shù)據(jù)等其他地球物理數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演， 目前正獲得越來越多的應(yīng)用.對于一些簡單的問題，電阻率的各向異性的反演也獲得了一些重視.RMT問題的頻率較高，需要考慮位移電流，為了獲得正確的RMT反演結(jié)果，必須改正現(xiàn)有的代碼，使其包含位移電流項(xiàng).由于WFEM法出現(xiàn)較晚，需要開發(fā)更為可靠的正反演算法.

(4)實(shí)際應(yīng)用.目前上述頻率域電磁法在不同的地球物理問題中得到了廣泛的應(yīng)用，如礦產(chǎn)資源勘探、地?zé)峄虻叵滤Y源勘探、環(huán)境與工程地球物理和油氣勘探等.由于地下結(jié)構(gòu)可能存在2D、3D特性，在應(yīng)用反演算法進(jìn)行數(shù)據(jù)解釋時，需要對地下結(jié)構(gòu)的維性進(jìn)行正確的判別.在2D特性不明顯，或者3D特性明顯時，需要采用3D反演算法.另外，即使對于2D特性明顯的區(qū)域，3D反演不僅可以驗(yàn)證結(jié)果，還可以輔助2D反演，獲得一些更為精細(xì)的局部異常結(jié)構(gòu).因此，三維采集與反演已逐漸成為主流.此外，為了獲得更為可信的反演結(jié)果，聯(lián)合反演的重要性日益明顯.

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(本文編輯 何燕)

Frequency-domain electromagnetic methods for exploration of the shallow subsurface: A review

TANG Jing-Tian1,2, REN Zheng-Yong1,2, ZHOU Cong1,2, ZHANG Lin-Cheng1,2, YUAN Yuan1,2, XIAO Xiao1,2

1KeyLaboratoryofMetallogenicPredictionofNon-FerrousMetalsandGeologicalEnvironmentMonitor，MinistryofEducation，CentralSouthUniversity,Changsha410083，China2InstituteofAppliedGeophysics,SchoolofGeosciencesandInfo-Physics，CentralSouthUniversity,Changsha410083，China

Four electromagnetic (EM) methods are widely used in exploration of the shallow subsurface (above depth 2000 meters), which are the audio-frequency magnetotellurics (AMT), radio-magnetotellurics (RMT), controlled source audio-frequency magnetotellurics (CSAMT) and the wide-field electromagnetic methods (WFEM). The purpose of this review is to present the advances of these technologies from five aspects, i.e. data collection, data processing algorithms, forward modeling, inversion algorithms and case studies. We also point out their current difficulties and suggest the potential development trends.To address the issues above, we have made a detailed investigation to the recent literature and chosen the most significant papers published.(1) Data acquisition and instrument. Along with the growing power of EM data collection instruments, the tensor measurement has been commonly adopted. In order to obtain more reliable data, instrument array or multi-instruments have been widely used in the field. By large funds for developing instruments, the quality of domestic instruments is gradually approaching that of the foreign equipment. (2) Data processing algorithms. The time series of AMT data usually contains different types of noise, such as artificial square waves and industry noise around target zones. Therefore, the signal-to-noise ratio of AMT data is usually low. In order to obtain useful signals, we can utilize the robust digital morphological filtering technology. In transforming the time domain signal into the frequency domain, the Hilbert Huang transform is a suitable choice. Recently, the main reliable approach to estimate the tensor impedance is simultaneously using multi-channel multi-frequency data. As for the CSAMT and RMT methods, the state of art in the data acquisition is to identify near field and far field zones. A new idea is the wide-band electromagnetic acquisition technique, which presents a unified way to compute the apparent resistivity in both near field and far field zones. Compared to the AMT, RMT and CSAMT methods, the WFEM method can work better in the near field zone. (3) Forward modeling and inversion. In order to compute the EM responses for complicated AMT/RMT/CSAMT problems, the finite element method has become the indispensable tool. The edge-based finite-element methods have replaced the nodal-based finite-element methods. To have a capability of dealing with complicated topography, the unstructured grids instead of traditional structured grids have become more important. The high efficiency of direct solvers such as MUMPS and Pardiso have played an important role in solving multi-source EM problems. As for the inversion, to simulate 3D cases, two inversion algorithms, which are the nonlinear conjugate gradient method and Gauss-Newton algorithm, have been applied to successfully performing 3D inversion of AMT/RMT/CSAMT data. To further improve the inversion quality, the joint inversion scheme becomes more popular. (4) Applications. The above AMT/RMT/CSAMT methods are widely used in mineral resources exploration, geothermal resources or groundwater surveys, and environmental and engineering geophysics. In inverting the AMT/RMT/CSAMT data, we should analyze the possible dimensionality of the subsurface structure. When they show a 2D structure, the results by 2D inversion are reliable. However, for 3D cases, inversion results and geological interpretations must be based on 3D inversion algorithms.

Shallow subsurface exploration; Frequency-domain electromagnetic methods; AMT; RMT; CSAMT; WFEM

國家自然科學(xué)基金(41104071,41574120,41174105)，國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(2014AA06A602),國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(青年973)項(xiàng)目(2015CB060201)資助.

湯井田，男，1965年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向:電磁法正反演研究及相關(guān)數(shù)據(jù)處理.E-mail:jitang@mail.csu.edu.cn

10.6038/cjg20150807.

10.6038/cjg20150807

P631

2014-12-22，2015-06-25收修定稿

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